一種耐蒸煮高阻隔包裝膜的研究及應用

馮銘竹，王 群，趙偉濤，劉墨寧，李 偉，宋 鑫

（中國樂凱集團有限公司 河北 保定 071054）

0 引言

常溫食品的包裝膜通常采用PE膜等單層材料，當食物需要經(jīng)過高溫蒸煮時，由于PE包裝膜不耐高溫，無法保護高溫處理后的食物，同時，高溫處理后的薄膜的機械強度下降，對于具有棱角的食品難以防止穿孔情況。

同時，一般的尼龍薄膜在殺菌過程中，容易受到氧氣侵蝕，造成物性破壞。為了使內(nèi)容物質(zhì)不變質(zhì)，不劣化，那么對于包材所要求具有的機能就是阻隔性。蒸煮或水煮工藝后的高氧氣阻隔性能能夠延長商品的保質(zhì)期，以及減少結構層數(shù)，取消外部包裝，通過高阻隔性實現(xiàn)“可透視化”增加產(chǎn)品價值，強化產(chǎn)品吸引力，以滿足客戶的需求。此外，無金屬材料高阻隔膜可以為微波加熱包裝需求提供有效的解決方案。

耐蒸煮高阻隔膜的鍍膜技術直接影響著最終產(chǎn)品的阻隔性能。在氣相沉積技術鍍膜制備方式的對比中，總結對比出不同的相應特征：

真空鍍膜是指在高真空的條件下加熱金屬/非金屬材料，使其蒸發(fā)并凝結于基體表面而形成薄膜的一種方式。[1]試驗對比PET薄膜鍍膜制備的三種氣相沉積（PVD）、（CVD）及（PECVD）方式：物理氣相沉積、化學氣相沉積和等離子體氣相沉積[2-4]，三種鍍膜方式的優(yōu)缺點對比見表1。

表1 鍍膜制備方式優(yōu)缺點的對比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of coating preparation methods

目前，PECVD是近幾十年發(fā)展起來的制備無機材料的新技術，雖然其設備投資大，成本高；但PECVD已經(jīng)成為無機合成化學的一個新領域。針對用PECVD真空鍍膜方式制備的膜材進行性能檢驗，其附著力為100%，成膜質(zhì)量優(yōu)異。因此，根據(jù)試驗的技術需要和現(xiàn)有技術條件，為達到高質(zhì)量產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)能力，選用等離子體增強化學氣相沉積技術（PECVD）作為試驗鍍膜的鍍膜方式。

耐蒸煮高阻隔膜是世界上銷量最大的氣相沉積型透明阻隔膜，具有優(yōu)良的氧氣阻隔及水蒸氣阻隔性能，其結構是在PET基材上附加陶瓷性蒸著層后增加阻隔涂層。阻氣性樹脂組合物的固化物具有使阻氣性提高的優(yōu)異性能，可以用于各種用途。其中，在基材層上依次具有該阻氣性樹脂的固化物層和無機薄膜層的復合膜，對氧氣、水蒸氣、二氧化碳等具有良好的阻氣性，并且具有透明性。

耐蒸煮高阻隔包裝膜由多層功能層組合構成，其涂布阻隔性能層與中間層具有耐穿刺作用的PA薄膜與最上層具有熱封作用的PP薄膜之間需要特定的粘合劑粘結才能實現(xiàn)整體效果。本試驗的目的在于提供一種阻氣性復合膜，其不僅對氧氣、二氧化碳、水蒸氣等的阻氣性優(yōu)異，同時還對加熱蒸煮處理等高溫殺菌處理具有良好耐性，特別是適合蒸煮用途的具有優(yōu)異氣體阻隔性的復合膜；其特征在于：在基材膜的一面上設有無機化合物形成的蒸鍍層及阻隔涂層。通過長期的試驗證明及多年的研發(fā)經(jīng)驗，基于氣相沉積技術和阻隔涂層技術，目前可以量化生產(chǎn)出具有優(yōu)秀的阻隔性，透明及非金屬性和環(huán)保-友好型的能夠安全加工的耐蒸煮高阻隔包裝膜，適用于軟包裝、紙復合包裝、硬包裝以及工業(yè)應用。

1 實驗

1.1 實驗儀器和藥品

儀器：自動化小型試驗涂布臺（山東濟南）；電熱鼓風干燥箱（中國·重慶銀河 DGF30022B）；試驗制備小型復合機（廣東深圳）；揉搓機（山東濟南蘭光Labthink）。

原材料：聚酯薄膜（厚度12～25μm，國產(chǎn)）；阻氣性樹脂組合物（國產(chǎn)）；黏合劑（國產(chǎn)·廣東東莞）。

1.2 耐蒸煮高阻隔包裝膜的制備

1.2.1 阻隔涂層薄膜的制備

在用鍍膜設備均勻蒸鍍光學薄膜上均勻涂布具有阻隔性能的涂層，加熱干燥。

1.2.2 耐蒸煮高阻隔復合膜的制備

阻隔涂層薄膜在經(jīng)過加熱干燥條件的黏合劑作用下與PA及PP加壓復合，制備得到復合包裝膜樣品。

2 結果與討論

2.1 阻隔涂層技術中的涂布液配方調(diào)整

2.1.1 涂布工藝中涂層的厚度調(diào)整

采用真空蒸鍍鍍膜方式制備鍍膜，由于摩擦或伸長有時會使薄膜產(chǎn)生裂紋，而且使阻氣性下降。所以在其表面涂布一層涂布液作為保護膜起到對鍍膜層的保護作用。涂層的主要成分是樹脂、助劑、溶劑以及填料，因而有封閉性，可用于提高鍍膜層的附著力，對鍍膜層提供較好的阻氣性。涂布涂層的不同厚度，影響了其在鍍膜上的附著力，繼而影響了它對鍍膜層的保護能力。分別試驗涂布液厚度A（30～40 nm）、B（60～70 nm）、C（50～60 nm）涂布，試驗結果顯示涂層厚度過薄則強度、耐穿刺性等降低；若過厚則有升高成本的缺點；選擇能夠保持所需要的最低限度的強度、耐穿刺性等的厚度即可；涂層厚度C可有效保護鍍膜層不易產(chǎn)生裂紋，阻隔性能較好。

表2 不同涂層厚度對鍍膜性能的影響Table 2 The influence of different coating thickness on coating performance

2.1.2 涂布配方中不同配液方式對復合膜阻隔性能的影響

涂布配液方式試驗對比方式A（將原材料按照功能作用的結合關系分成若干組分，按照比例順序混合）和方式B（將原材料按照功能作用的結合關系，按照比例順序混合，形成同一組分）；結果表明：方式A的混合方式效果比方式B要理想，這是因為方式A的混合途徑能夠更有效地促進涂布液體各個成分的機理組合，使阻氣性涂層具有較好的阻隔性能。

表3 涂布配液方式對性能的影響Table 3 Effect of coating solution preparation method on properties

2.1.3 固化、后熟化條件對復合膜阻隔性能的影響

固化、后熟化是促進涂層完全反應的過程，對阻隔性能具有重要影響。熱處理的結果會使樹脂膜的結合強度和耐穿刺性等提高，對阻氣性涂膜賦予柔性，提高其耐揉搓性。溫度過高的固化、后熟化雖然使結合反應時間縮短，但會出現(xiàn)反應不夠均勻，造成局部過度硬化的情況；采用較為緩沖的低溫長時間固化、后熟化有利于促進各涂層的完全反應，使復合膜的各項性能都能達到一個理想的數(shù)據(jù)狀態(tài)，所以試驗結果表明采用55 ℃熟化2天的條件較為適宜。

表4 固化、后熟化條件對性能的影響Table 4 Effect of curing and post curing conditions on properties

2.2 耐蒸煮高阻隔膜的揉搓測試數(shù)據(jù)

該款耐蒸煮高阻隔膜其特征在于具有透明性的耐揉搓性，包裝膜包括具有很好的韌性、耐蠕變、耐抗疲勞性和耐摩擦的PET基膜，樹脂底層，添加有改性PVC水溶性高分子的聚酯涂層（無機填料的質(zhì)量含量僅占涂層總重的1%～5%，使阻氣性涂層具有較好柔韌性）；以及在耐高溫黏合劑作用下的PA及PP膜層，其具有雙向拉伸性；通過進行耐揉搓測試性能對比（試驗條件：揉搓40次，旋轉(zhuǎn)角度30°），結果表明，試驗復合膜比原有配方復合膜的揉搓蒸煮后的阻隔性能更為理想。

表5 耐揉搓測試性能對比數(shù)據(jù)Table 5 Comparison data of rubbing resistance test performance

2.3 耐蒸煮高阻隔膜的蒸煮試驗測試數(shù)據(jù)

因為復合膜在基材層與阻氣涂層之間設置由阻氣性樹脂組合物的固化物構成的底層；而且阻氣涂層中也添加了有機組分（改性PVA，水溶性高分子）使其固化得到的固化物構成的膜層阻氣性較好，特別是在蒸煮處理后效果更為明顯。通過試驗對比，在條件為121 ℃，40 min，2個大氣壓蒸煮后，試驗復合膜具有良好的阻隔性能。

表6 蒸煮試驗測試對比數(shù)據(jù)Table 6 Comparison data of cooking test

3 結論

研究一種耐蒸煮高阻隔膜的制備技術，通過調(diào)整阻隔涂層技術的配方試驗表征，及制膜后的耐屈擾性和蒸煮前后的阻隔性能對比，分析其高阻氧性能和阻水性能；驗證耐揉搓試驗的阻隔性能及高溫高壓耐蒸煮的阻隔性能；制備的耐蒸煮高阻隔包裝膜阻隔性能優(yōu)異（蒸煮后透氧率≤0.5 cc/(m2·d)，透水率≤1.0 g/(m2·d)的A類產(chǎn)品），并具有良好的適宜高熱殺菌處理的耐性。該技術利用其可防止“受潮”“干燥”及“腐壞”的阻隔性，不受環(huán)境因素（溫度/濕度）影響的耐性，強耐屈擾性以及無氯氣釋放（充分燃燒時）等良好的特性，不僅適宜于食品包裝用途，還可以用于藥品包裝用途、電子部件等工業(yè)產(chǎn)品包裝用途。